[发明专利]一种共价有机框架析氢催化剂及其制备方法和应用

说明书

一种共价有机框架析氢催化剂及其制备方法和应用，它涉及共价有机框架析氢催化剂及其制备方法和应用。它是要解决现有的现有的贵金属析氢催化剂价格昂贵、易造成环境污染，COFs类析氢催化剂类型少、催化效率低的技术问题。本发明的共价有机框架析氢催化剂，其基本结构单元为：它是采用2‑苯基‑1H‑菲并[9,10‑d]咪唑‑5,10‑二胺和4,4′,4”‑(苯基‑1,3,5‑三基)三苯甲醛缩合反应得到。利用该共价有机框架材料作为催化剂制备电催化分解水析氢电极，在电解水的析氢反应中，10mA cm^–2下的过电位低至80～81mV dec^–1，塔菲尔斜率为85～86mV dec^–1，可用于电解水析氢领域。

技术领域

本发明涉及共价有机框架析氢催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

共价有机框架材料作为一类通过强共价键连接的结晶多孔有机聚合物，具有结构多样可设计、孔隙率高及稳定性好等诸多优点，近年来越来越受到研究者的青睐。氢能源被认为是绿色的、可持续的、高效的，可以取代化石燃料的。电化学水分解析氢反应是能源研究的重点领域之一。电解水制氢的催化剂研究最初以贵金属铂、铱和钌等为主，但是这类催化剂储量稀少和价格昂贵，难以实现规模化应用。目前，贵金属铂(Pt)被认为是最优的电解水析氢催化剂，然而Pt存在价格昂贵、储量匮乏等问题，这严重限制了其在析氢反应(HER)中的大规模应用。因此，研制低成本、高电催化活性和稳定性的非贵金属催化剂成为了非常重要和热门的研究领域。

近年来，越来越多科研工作者进行了基于共价有机框架的电化学催化剂制备工作。2020年，Chao Yang等人利用1,3,6,8-四-(对胺基苯基)-芘和1,2,4,5-四(4-甲酰基苯基)苯合成了一种纳米孔二维COFs衍生的无金属杂原子掺杂碳催化剂被报道在《美国化学学会能源材料》第3卷第6期，该催化剂在10mA cm^-2电流密度下酸性溶液中显示的低电势为260mV dec^-1。但是相对于其他电化学催化剂，过电位过高，导致析氢效率下降。同年，Yangyang Wan等人在原始COFs中预掺入的N和后掺杂的P杂原子均均匀分布在石墨化碳中，并作为电催化的有效活性位点被报道在《美国化学学会能源材料》。该催化剂在碱性溶液中半波电位为0.81V，在酸溶液中过电位为260mV dec^-1。但是相对于其他催化剂，析氢效率较低。2022年Yunchao Ma等人使用噻吩、双噻吩和三嗪单元合成了两种无金属的COFs，但两种COFs只在碱性条件下表现出较好的析氢性能，在中性以及酸性条件下析氢效率较低。

根据目前文献报道的电催化析氢的催化剂主要存在以下缺陷：

1.析氢催化剂主要以贵金属催化剂为主，价格昂贵且容易造成环境污染。

2.COFs类析氢催化剂类型较少。

3.COFs类析氢催化剂的催化效率较低。

4.多数COFs类析氢催化剂受催化环境限制。

发明内容

本发明是要解决现有的贵金属析氢催化剂价格昂贵、易造成环境污染，COFs类析氢催化剂类型较少、催化效率低的技术问题，而提供一种共价有机框架析氢催化剂及其制备方法和应用，本发明的共价有机框架析氢催化剂是一种结构新颖的、催化效率较高、可广泛应用的COFs类析氢催化剂。

本发明的共价有机框架析氢催化剂，其基本结构单元如下：

本发明的共价有机框架析氢催化剂是采用2-苯基-1H-菲并[9,10-d]咪唑-5,10-二胺和4,4′,4”-(苯基-1,3,5-三基)三苯甲醛缩合反应得到，其制备过程用下式表示：

上述的共价有机框架析氢催化剂的制备方法，按以下步骤进行：